physique chimie
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TP effet Doppler et microphone
mis à jour le 17/04/2012
une activité expérimentale en démarche active en lien avec l'effet Doppler : mesurer une vitesse par réinvestissement des connaissances sur l'analyse sonore.
mots clés : effet Doppler, vitesse, spectre sonore, démarche active, DA, tice
1. Pré-requis
- Les élèves ont réalisé l'analyse spectrale d'un son musical et l'ont exploité pour en caractériser la hauteur et le timbre
- L'effet Doppler a été présenté en classe ( par exemple avec la cuve à onde )
- Éventuellement, l'expression du décalage Doppler de la fréquence a été appliquée au cas de l'effet sonore produit par une voiture s'approchant puis s'éloignant d'un récepteur
- La notion de modélisation a été vue dans le cas de la diffraction
2. Un travail possible
- Par groupe de 2, utiliser le logiciel Audacity pour enregistrer pendant environ 10 secondes le son produit par le haut-parleur (Le micro étant placé à quelques cm devant le haut-parleur).
- Le son produit est-il pur ? Justifier.
- Faire un nouvel enregistrement d'environ 10 s en approchant puis en éloignant le micro devant le haut-parleur, voir schéma :
- Faire valider votre enregistrement par le professeur avant de poursuivre.
- Imprimer votre enregistrement et repérer sur celui-ci trois types de portions :
- le micro s'approche
- le micro est à l'arrêt
- le micro s'éloigne.
- Réaliser le spectre de chaque portion, relever la fréquence du fondamentale et de 9 harmoniques.
Consignes envisageables :
- Suivre le protocole expérimental proposé et le réaliser avec soin.
- Utiliser un logiciel pour vérifier la relation liée à l'effet Doppler : |
f | = a × f
avec | 
f | = | fsource en mouvement - fsource au repos | et a = v ÷ c ,
f | = | fsource en mouvement - fsource au repos | et a = v ÷ c , on prendra c = 340 m.s-1 et v vitesse du microphone
- Rédiger un compte rendu présentant clairement l'ensemble de la démarche permettant de connaître la vitesse d'approche et la vitesse d'éloignement du microphone.
Remarque - Chaque groupe dispose du matériel suivant :
- Logiciel de traitement de données : OpenOffice ou Regressi ( logiciels libres )
- Logiciel de traitement du son : Audacity ( logiciel libre )
- GBF ( signal carré de fréquence 1000 Hz )
- Microphone et ordinateur ( vérifier la connectique )
- Haut-parleur
3. Une manipulation possible
Cette activité expérimentale peut être mise en place à la condition d'avoir présenté en classe entière l'effet Doppler (animation flash, cuve à onde avec souffleur en mouvement, activité doc, ...).
Les élèves doivent savoir que la fréquence perçue par un récepteur dépend de sa vitesse de déplacement par rapport à l'émetteur. Autrement dit la fréquence d'une source n'est pas « absolue », elle est relative, elle dépend de la vitesse de la source par rapport au récepteur.
La relation |
f | = a × f, qui est en fait une approximation au premier ordre, n'est pas à connaître et ni à démontrer.Cette relation nous montre que l'écart en fréquence est d'autant plus grand que la fréquence de l'émetteur est plus grande.
Cette observation explique le choix du signal carré pour alimenter le haut-parleur. En effet, ce type de signal « produit » un spectre donnant de nombreuses harmoniques.
En partant d'un signal à 1000 Hz (même si c'est difficile pour nos oreilles quand plusieurs groupes manipulent en même temps...) il est possible d'obtenir facilement 9 harmoniques. L'écart en fréquence étant bien entendu plus facilement mesurable pour les dernières harmoniques.
Au regard de cette remarque, il apparaît donc que la sous-partie du programme « caractéristiques des ondes » aura été traitée et parfaitement assimilée par nos élèves.
Notamment, les élèves devront être capable d'interpréter le premier spectre obtenu (micro à l'arrêt), comme étant l'émission d'une source n'émettant pas qu'une seule fréquence (1000 Hz, celle du GBF) mais plusieurs fréquences (celles données par l'analyse spectrale).
3.1. Matériel, logiciel, agencement, ...
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3.2. Exemple de traitement : le micro à l'arrêt
(cliquer les images pour les agrandir)
4. Micro en mouvement
4.1. Le micro recule
Conclusion
La vitesse d'éloignement du micro est d'environ 1,4 m.s-1.
Le traitement du signal met bien en évidence la relation liée à l'effet Doppler |
f | = a × f, avec a = v ÷ c.Nous constatons également une variation en fréquence négative lorsque la source s'éloigne du récepteur (ou l'inverse c'est-à-dire quand le récepteur s'éloigne de la source, ce qui bien entendu revient au même !).
4.2 Le micro avance
Conclusion
La vitesse de rapprochement du micro est d'environ 1,0 m.s-1.
Le traitement du signal met bien en évidence la relation liée à l'effet Doppler |
f | = a × f, avec a = v ÷ c.
Nous constatons également une variation en fréquence positive lorsque la source s'approche du récepteur (ou l'inverse c'est-à-dire quand le récepteur s'approche de la source, ce qui revient au même !).
La vitesse de rapprochement du micro est d'environ 1,0 m.s-1.
Le traitement du signal met bien en évidence la relation liée à l'effet Doppler |
f | = a × f, avec a = v ÷ c.Nous constatons également une variation en fréquence positive lorsque la source s'approche du récepteur (ou l'inverse c'est-à-dire quand le récepteur s'approche de la source, ce qui revient au même !).
La vitesse d'approche du micro est inférieure à celle de son éloignement, ce qui peut simplement s'expliquer par le fait que l'expérimentateur à « moins peur » d'éloigner le micro du haut-parleur (il n'y a pas d'obstacle ) que de le rapprocher (il faut être capable de s'arrêter à 1 cm de la membrane du haut-parleur, faîtes l'essai vous allez voir c'est pas simple !).
information(s) pédagogique(s)
niveau : Terminale S
type pédagogique : scénario, séquence, travaux pratiques
public visé : élève
contexte d'usage : classe, travail autonome, salle multimedia
référence aux programmes :
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Programme de terminale S :Thème : OBSERVER, Ondes et matière : Caractéristiques et propriétés des ondes : Effet Doppler
Compétences travaillées ou évaluées :
- Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour mesurer une vitesse en utilisant l'effet Doppler
- Réaliser un protocole comportant des expériences
- Observer
- Mener une expérience avec un ordinateur pour recueillir des mesures et en faire le traitement
- Porter un jugement critique sur la pertinence des résultats obtenus
- Analyser des mesures
- Ecrire des résultats de façon adaptée
- Maîtriser l'usage des chiffres significatifs et l'écriture scientifique. Associer l'incertitude à cette écriture.
fichier joint
information(s) technique(s) : Fichier modifiable au format . doc
taille : 834 kio ;
ressource(s) principale(s)
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démarches actives | 09/02/2011 |
| documents présentés lors des stages "démarches actives" en sciences physiques à destination des professeurs de lycées, et exemples de séances ayant mis en application ces préconisations péda ... | ||
| nouveaux programmes, lycée, investigation, DA, pédagogie, TP, physique, chimie, stage, démarche active | ||
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ressources pour le programme 2012 de Terminale S - observer - ondes et matière | 11/07/2011 |
| les productions nouvelles pour le programme 2012 sur le thème « observer : ondes et matière » . | ||
| réforme, terminale,TS | ||
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